Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.
Устройство термопары
Принцип работы термопары. Эффект Зеебека
Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.
Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды.
Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев).
Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.
Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.
Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».
Компенсация температуры холодного спая (КХС)
Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.
КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).
Конструкция термопары
При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.
Особенности конструкции термопар:
1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).
ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.
2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.
Что такое термостат и какой у него принцип работы
3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.
- До 100-120°С – любая изоляция;
- До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
- До 1950°С – трубки из Al2O3;
- Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Защитный чехол.
Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.
Удлиняющие (компенсационные) провода
Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».
Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.
Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.
Типы и виды термопар
Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.
Термопара хромель-алюмель (ТХА)
Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.
Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.
Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.
Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.
Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).
Термопара хромель-копель (ТХК)
Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
- Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.
- Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.
- Недостатки: деформирование термоэлектрода.
- Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.
Термопара железо-константан (ТЖК)
Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь). Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.
Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.
Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.
https://www.youtube.com/watch?v=jP0vp1dY374
Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.
Термопара вольфрам-рений (ТВР)
Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh). Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).
Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.
Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.
Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.
Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.
Термопара вольфрам-молибден (ВМ)
Положительный электрод: вольфрам (технически чистый). Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).
Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.
Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.
Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.
Термопары платинородий-платина (ТПП)
Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh). Отрицательный электрод: платина.
Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.
Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.
Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.
Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.
Термопары платинородий-платинородий (ТПР)
Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh. Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.
Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.
- Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.
- Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.
- Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.
Схема подключения термопары
- Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
- Подключение с помощью компенсационных проводов;
- Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.
Стандарты на цвета проводников термопар
Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.
ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.
Точность измерения
Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.
Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.
ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.
Быстродействие измерения
Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.
Факторы, увеличивающие быстродействие:
- Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
- При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
- Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
- Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
- Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).
Проверка работоспособности термопары
Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.
Причины выхода из строя термопары:
- Неиспользование защитного экранирующего устройства;
- Изменение химического состава электродов;
- Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
- Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.
Преимущества и недостатки использования термопар
Достоинствами использования данного устройства можно назвать:
- Большой температурный диапазон измерений;
- Высокая точность;
- Простота и надежность.
К недостаткам следует отнести:
- Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
- Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
- Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
- Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.
Термопары: подробно простым языком. Что такое термопара: об устройстве простыми словами
Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов.
Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды.
При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.
Вопрос экспертуЗачем нужен вольтметр при подборе термопары?Вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе.
Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.
Дополнительный материал: Как смастерить лабораторный блок питания самостоятельно.
Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.
Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников.
Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.
Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной.
Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев.
И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.
Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Читать далее Металлоискатель пират своими руками подробная инструкция. Читать далее Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения. Читать далее
Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека.
Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.
К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.
Конструктивные особенности
Если относиться более скрупулезно к процессу замера температуры, то эта процедура осуществляется с помощью термоэлектрического термометра. Основным чувствительным элементом этого прибора считается термопара.
Сам процесс измерения происходит за счет создания в термопаре электродвижущей силы. Существуют некоторые особенности устройства термопары:
Электроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.- Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
- Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора. Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
- В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.
Вам это будет интересно Киловатт — производная единица измерения мощности
Конструкция датчика во многом зависит от условий его применения. При создании термопары во внимание принимается диапазон измеряемых температур, состояние внешней среды, тепловая инерционность и т. д.
Принцип работы
Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году.
Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.
Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт.
Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем.
Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.
Будет интересно➡ Что такое электрическое сопротивление
Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором.
Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к.
это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.
Конструкция устройства
Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:
- бескорпусные термопары;
- термопары с защитным кожухом.
Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда.
Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары.
Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.
Холодный спай
Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.
В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно.
Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.
Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае.
И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры. Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы.
Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.
Рабочий спай термопары (горячий)
Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.
Виды устройств
Каждый вид термопар имеет свое обозначение, и разделены они согласно общепринятому стандарту. Каждый тип электродов имеет свое сокращение: ТХА, ТХК, ТВР и т. д. Распределяются преобразователи соответственно классификации:
Тип E — представляет собой сплав хромеля и константана. Характеристикой этого устройства считается высокая чувствительность и производительность. Особенно это подходит для использования при крайне низких температурах.- J — относится к сплаву железа и константана. Отличается высокой чувствительностью, которая может достигать до 50 мкВ/ °C.
- Вид K — считается самым популярным устройством, состоящим из сплава хромеля и алюминия. Эти термопары могут определить температуру в диапазоне от -200 °C до +1350 °C. Приборы используются в схемах, расположенных в неокисляющих и инертных условиях без признаков старения. При применении устройств в довольно кислой среде хромель быстро разъедается и приходит в негодность для измерения температуры термопарой.
- Тип M — представляет сплавы никеля с молибденом или кобальтом. Устройства могут выдерживать до 1400 °C и применяются в установках, работающих по принципу вакуумных печей.
- Вид N — нихросил-нисиловые устройства, отличием которых считается устойчивость к окислению. Используются они для измерения температур в диапазоне от -270 до +1300 °C.
Вам это будет интересно Материал, из какого должен изготавливаться искусственный заземлитель
Существуют термопары, выполненные из сплавов родия и платины. Относятся они к типам B, S, R и считаются самыми стабильными устройствами. К минусам этих преобразователей относится высокая цена и низкая чувствительность.
При высоких температурах широко используются устройства из сплавов рения и вольфрама. Кроме того, по назначению и условиям эксплуатации термопары могут бывать погружаемыми и поверхностными.
По конструкции крепления устройства обладают статическим и подвижным штуцером или фланцем. Широкое применение термоэлектрические преобразователи нашли в устройстве компьютеров, которые обычно подсоединяются через COM порт и предназначены для измерения температуры внутри корпуса.
Трудности измерении температур термопарой
Малый сигнал на выходе
Напряжение крайне мало, и поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, потому как требуется сверх точное усиление сигнала. Для таких целей изготовляются специальные микросхемы, с помощью которых можно соорудить достаточно компактный измеритель температуры.
Компенсация эталонного спая
Первые, в своем роде, термопары погружали эталонным спаем в ванну со льдом, что бы температура была постоянной.
Но сейчас это не подходит современным системам измерения, хотя поддержание температуры спая все равно необходимо. В данный момент используют технологию компенсации эталонного спая.
Для этих целей применяется другой термочувствительный элемент. Например — термисторы, резистивные датчики или удаленные термодиоды.
Нелинейность характеристики
Характеристика напряжения термопары не линейна, и изменяет наклон в зависимости от величины сигнала. Есть такие способы решения проблемы:
- Аппроксимировать наклон как линейный (особенно хорошо работает для термопар К- и -J типа);
- Соотнести набор напряжений термопары с ее относительной температурой, путем сохранения характеристики в памяти просмотровой таблицы;
- Моделировать поведение термопары уравнениями высокого порядка.
В зависимости от используемой пары материалов термопары делят на:
Способы измерения температуры при помощи термопар
При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет — оптимизацию для простоты или точности и гибкости.
Оптимизация для простоты
Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.
Тип термопарыДиапазон температуры измерительного спаяДиапазон температуры эталонного спаяТочность при 25°СПотребляемая мощность
| K | -25…400°С | 0…50°С | ±3°С (группа А) ±1°С (группа С) | 1,25 мВт |
Оптимизация для точности и гибкости
Тут мы имеем для измерения малых напряжений термопары схему со сверхточным АЦП и измерение температуры спая высокоточным термодатчиком. Можно использовать с термопарами J-, K- и Т- типа. Управление видеться от микроконтроллера.
Тип термопарыДиапазон температуры
измерительного спаяДиапазон температуры эталонного спаяТочностьПотребляемая мощность
| J,K,T | Полный диапазон |
-Ю…85°С -20…105°С |
±0.2°С ±0,25°С |
ЗмВт ЗмВт |
Типы термопар и их характеристики
Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:
- ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
- ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
- ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
- ТЖК – железо-константановые (тип J);
- ТМКн – медь-константановые (тип T);
- ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
- ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
- ТХКн – хромель-константановые (тип E);
- ТХК – хромель-копелевые (тип L);
- ТМК – медь-копелевые (тип M);
- ТСС – сильх-силиновые (тип I);
- ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).
Термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы
В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки.
Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений.
В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов.
В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары.
Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.
Устройство и принцип действия
Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык.
Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай.
Схематически устройство изображено на рисунке 1.
Рис. 1. Схема строения термопары
Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.
Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).
Рис. 2. Термопара с керамическими бусами
Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС.
Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает.
Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.
Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП
Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки.
Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки.
Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.
В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.
Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар
На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.
Типы термопар и их характеристики
Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:
- ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
- ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
- ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
- ТЖК – железо-константановые (тип J);
- ТМКн – медь-константановые (тип T);
- ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
- ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
- ТХКн – хромель-константановые (тип E);
- ТХК – хромель-копелевые (тип L);
- ТМК – медь-копелевые (тип M);
- ТСС – сильх-силиновые (тип I);
- ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).